橡胶老树发新芽 - 橡胶“3D超界面” - 华南理工大学陈玉坤等团队 Nat. Commun.

2026-03-30 来源：高分子科技

橡胶，这一与人类工业文明相伴百余年的经典材料，以其独特的高弹性、柔韧性和环境稳定性，广泛应用于轮胎等领域。近来，在柔性电子传感等新兴领域，橡胶材料也受到关注。然而，橡胶基柔性传感器的研究受困于“高灵敏度、宽应变范围、高线性度”难以兼得的“不可能三角”。以至于，橡胶柔性传感器多采取多段处理的方式，每一段应变对一个应灵敏度（0-x₁，GF₁；x₁-x₂，GF₂；x₂-x₃，GF₃…），才能使每一段响应有较好的线性拟合度（R²＞0.95）。其根源在于动态加载下导电网络与橡胶基体形变不一致，导致填料网络重排、脱离甚至断裂。

近日，华南理工大学陈玉坤等研究团队在Nature Communications上发表的最新成果，A rubber-based sensor with over 100 million-level ultra-sensitivity (0–10% strain range) via 3D super-interface（在0-10%应变范围内，灵敏度因子（GF）达到1.1×10?，线性系数R2=0.98），为橡胶材料的柔性传感开辟了新路径。这一成果受炭黑粒子与橡胶分子链形成结合胶（物理缠结/或强化学锚定）的启示，团队原创性提出“3D超界面”理论原理：通过在橡胶基体表面构建具有较高粗糙度和比表面积的界面，进而显著增加基体与导电层之间的相互作用位点密度，界面结合方式由平面的相互作用力转变为强烈的“物理锚定+化学键合”的协同三维增强模式，实现界面结合强度的可控增强，从而一定程度上破解了不可能三角。橡胶这一“老树”上绽放出“3D超界面”理论“新芽”。该研究的第一作者系华南理工大学博士生王兴钬，通讯联系人包括广东工业大学王荟博士、广西大学徐传辉教授、香港理工大学王钻开教授、华南理工大学陈玉坤研究员。该项研究由华南理工大学陈玉坤研究员自筹经费完成，未获纵向经费支持。

1. 橡胶基底的“微纳雕刻”

研究团队以纳米羧基化丁苯橡胶（XSBR）为基体，通过调控胶乳成膜过程中的多物理场耦合，在橡胶表面构筑出粗糙度达400 nm的微/纳结构。这一结构使橡胶基底的比表面积提升了22倍，为后续功能层的牢固附着提供了丰富的物理锚定位点。更重要的是，橡胶表面的羧基（-COOH）与导电层中PAM/CMC高分子的酰胺基（-NH?）之间形成了密集的氢键网络（图1）。这种“物理锚定+化学键合”的双重作用，构建出区别于传统二维平面粘接的“3D超界面”，解决了导电层在较大应变下易破坏、剥离的问题。

图1 基于“3D超界面”的微裂纹多层柔性传感器（MSFS）的微观结构和性能。

2. 橡胶与导电层间的“脆-韧”调控艺术

胶基底之上，研究团队构建了由聚丙烯酰胺（PAM）、羧甲基纤维素（CMC）和单壁碳纳米管（SWCNTs）的PAM/CMC@ SWCNTs过渡层以及银纳米线（AgNWs）组成的PAM/CMC@ AgNWs复合导电层。通过调控PAM与CMC的比例，导电层的弹性模量可在7.7 GPa至70 GPa之间连续调节，断裂韧性随之变化。当模量处于50-70 GPa的高区间时，导电层呈现渔网状裂纹，适用于0-3%应变范围，灵敏度高达1.7×10?；当模量降至20-40 GPa时，裂纹转变为平行排列，应变范围扩展至0-10%，灵敏度仍维持在1.1×10?的超高水平（图2）。这种“脆-韧”调控机制，实现了裂纹结构从“随机生成”到“可控设计”的跨越。

图2基于“3D超界面”的MSFS导电层“脆-韧”调控机制及裂纹结构调控策略。

3. “不可能三角”新的里程碑

上述设计，研究团队制备的微裂纹超界面柔性传感器（MSFS）具有超高灵敏度：在0-10%应变范围内，灵敏度因子（GF）达到1.1×10?，线性系数R2=0.98， MSFS在10000次循环加载后仍保持信号稳定，在2000次50%大应变循环后力学行为几乎无衰减，展现出卓越的长期服役稳定性。

团队还发现，目前传感器响应灵敏度仅考察了由特定测试方法（如规定的应变率和伸长长度）引起的传感器响应时间的变化。然而，不同的应变率和伸长长度可能会引发不同的应变变形，从而产生不一致的结果。因此，类似于灵敏度定义中的GF，作者引入了响应灵敏度（GFt）的概念：即在100 mm/min的拉伸速率拉伸形变5%下的GF值与这段响应时间的比值。经测试，MSFS的响应灵敏度约为2.1 × 10?/s（图3i）。